›
›

Bài giảng Cấu kiện điện tử - Lession 4: Transistor

pdf 87 trang ngocly 3400
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Cấu kiện điện tử - Lession 4: Transistor", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_cau_kien_dien_tu_lession_4_transistor.pdf

Nội dung text: Bài giảng Cấu kiện điện tử - Lession 4: Transistor

  1. Lession 4 Transistor 1
  2. Nội dung 1. C u t o và nguyờn lý làm vi c 1.1. C u t o BJT lo i NPN, PNP 1.2. Nguyờn lý làm vi c c a BJT 1.3. H s truy n ủt dũng ủin c a BJT 2. Cỏc cỏch m c BJT và cỏc h ủc tuy n t ươ ng ng 3. Cỏc tham s cc ủi và gi i h n vựng làm vi c c a BJT 4. Phõn c c cho BJT 4.1. Ch ủ làm vi c c a BJT 4.2. Cỏc d ng phõn c c 4.3. Xỏc ủnh ủim cụng tỏc t ĩnh 5. Sơ ủ tương ủương ca BJT ch ủ khu ch ủi tớn hi u nh 5.1. Sơ ủ mng 4 c c dựng cho BJT 5.2. Sơ ủ tương ủương vt lý 6. BJT làm vi c ch ủ chuy n m ch 6.1. Nguyờn lý làm vi c 6.2. Cỏc tham s ca BJT chuy n m ch 7. Darlington BJT 8. BJT cụng su t l n 2
  3. Cấu tạo của BJT 3
  4. Nguyên lý lm việc của BJT 4
  5. In Amplifier Out Out Gain = In 5
  6. Moore’s law • Moore founded Intel with Robert Noyce in 1968 and served as its CEO from 1975 to 1987. Since 1997, he has served as Chairman Emeritus of the company. • While working for Fairchild Semiconductor in 1965, he coined the now famous Moore's Law as he was preparing an article for Electronics magazine. At that time, the law stated that the number of transistors on a chip doubles every year. In 1975, he amended it to say it doubles every two years. • "If you asked me in 1980, I would have missed the PC. I didn't see much future for it" ( 9584_22123972.html) 6
  7. NPN Transistor Structure The collector is lightly doped. N C The base is thin and P B is lightly doped. The emitter is heavily doped. N E 7
  8. NPN Transistor Bias No current flows. N C The C-B junction is reverse biased. P B N E 8
  9. NPN Transistor Bias N C The B-E junction P B is forward biased. N E Current flows. 9
  10. NPN Transistor Bias IC Current flows everywhere. N C Most of the emitter carriers diffuseWhen through both the junctions thin base P B region since they are attracted by theare collector. biased IB N E Note that I is smaller B IE than I E or I C. 10
  11. Note: when the switch opens, all IC currents go to zero. N C Although I is smaller B P B it controls I E and I C. IB N E Gain is something small controlling something large IE (I is small). B 11
  12. Xét BJT lm việc ở vùng tích cực 12
  13. • Do tiếp giáp Emitơ phân cực thuận, điện áp tổng trên tiếp giáp giảm đi v bằng U∑(E) = U txE –UEB • Tiếp giáp colectơ phân cực ng−ợc nên tổng điện áp trên tiếp giáp l U∑(C) = U txC + U CB • Dòng dò : I C0 (phụ thuộc nhiệt độ) •IC∑ = I C + I C0 ≅ •IC0 << I C vì vậy dòng I C∑ IC 13
  14. IE, I B, I C v các hệ số truyền đạt dòng điện α, β •IE = I C + I B • Trong đó, thông th−ờng I B << I C v IE • Hệ số truyền đạt dòng điện Emitơ α: L tỷ số giữa dòng Colectơ v dòng Emitơ. α dc Hệ số truyền đạt dòng điện Emitơ một chiều α ac Hệ số truyền đạt dòng điện Emitơ xoay chiều I dI I I −I α = C α = C ≅ C = Ci Ci 1- dc ac − IE dI E IE IEi IEi 1- 14
  15. ≅ • Do I B << I C v IE nên có thể coi I C IE α α • Trên thực tế dc th−ờng không khác nhiều ac α ≅ α tức l dc ac v có giá trị gần bằng 1 • α có giá trị khoảng từ 0,9 ữ 0,998 α • ít phụ thuộc vo dòng I C v tần số tín hiệu 15
  16. • Hệ số truyền đạt dòng điện Colectơ β: Còn gọi l hệ số khuyếch đại dòng điện. • Phân biệt chế độ một chiều hay xoay chiều cũng có khái niệm: β dc Hệ số khuếch đại dòng điện một chiều β ac Hệ số khuếch đại dòng điện xoay chiều I dI I I −I β = C β = C ≅ C = Ci Ci 1- dc ac dI I I −I IB B B Bi Bi 1- β β • Hai giá trị dc v ac cũng không khác nhau nhiều β ≅ β dc ac 16
  17. • Quan hệ giữa α, β I = I + I đ−ợc xác định nh− E C B I = β I sau: C ()B I E = β + 1 I B ≅ IE = I B + I C I C = α I E + I C0 α I E β α = β α 1 + β α = = α 1+ β β β = 1- α 1- α 18
  18. IC = 99 mA The current gain from base to collector C is called β.β.β. IB = 1 mA P B 99IC mA N βββ = = 99 E 1IB mA 19 IE = 100 mA
  19. IC = 99 mA Kirchhoff’s current law: C IB = 1 mA P B IE = I B + I C = 1 mA + 99 mA N E = 100 mA 20 IE = 100 mA
  20. IC = 99 mA In a PNP transistor, holes flow from emitter to collector. C IB = 1 mA B Notice the PNP bias voltages. E 21 IE = 100 mA
  21. Transistor Currents Quiz βββ is the ratio of collector current to ___ current. base The sum of the base and collector currents is the ___ current. emitter In NPN transistors, the flow from emitter to collector is composed of ___. electrons In PNP transistors, the flow from emitter to collector is composed of ___. holes Both NPN and PNP transistors show ___ gain. current 22
  22. Các dạng mắc mạch cơ bản của BJT • Có 3 dạng mắc cơ bản: Bazơ chung Ký hiệu CB (Common Base) Emitơ chung Ký hiệu CE (Common Emitter) Colectơ chung Ký hiệu CC (Common Colector) 23
  23. Mạch Bazơ chung BC Mạch vo: IE dòng vo, UBE điện áp vo → = khảo sát đặc tuyến tĩnh IE f (U BE ) U CB =const Mạch ra: IC dòng ra UCB Điện áp ra → khảo sát đặc tuyến tĩnh = I C f (U CB ) I E=const 24
  24. • Vùng tích cực: (Active Region) đây l vùng khuếch đại tín hiệu ≤ • Vùng bo ho: (Saturation Region) khi U CB 0. Cả hai tiếp xúc Emitơ v Colectơ đều phân cực thuận • Vùng cắt dòng: (Cutoff Region) với giá trị IE ≤ 0. Vùng ny tiếp xúc Emitơ phân cực ng−ợc, dòng I E = 0. Tại vùng cắt dòng cả hai tiếp xúc phân cực ng−ợc • Vùng đánh thủng: (Breakdown Region) nếu U CB quá lớn sẽ gây nên hiện t−ợng đánh thủng tiếp giáp Colectơ lm dòng I C tăng đột ngột (đánh thủng Zener hay đánh thủng thác lũ hoặc cả hai) • Chú ý: Đối với mạch mắc kiểu Base chung th−ờng có hệ số khuếch đại điện áp từ 50 đến 300, hệ số khuếch đại dòng điện α α < 1 (do I C /I E = , th−ờng < 1 ). 27
  25. Mạch Emitơ chung CE 28
  26. • Vùng tích cực: (hay còn gọi l vùng khuếch đại) khi tiếp xúc Emitơ phân cực thuận v tiếp xúc Colector phân cực ng−ợc. • Vùng bo ho: Khi cả hai tiếp xúc Emitơ v Colectơ phân cực thuận. Khi ny dòng I C tăng rất nhanh. Điện áp bo ho UCE bh ≈ 0,3V. • Vùng cắt dòng: Nằm d−ới đặc tuyến ứng với I B = 0 ứng với cả hai tiếp xúc Emitơ v Colectơ phân cực ng−ợc. Với I B = 0, có dòng d− gọi l ICE0 . Dòng ny đ−ợc xác định nh− trên với cực Bazơ hở (I B = 0). • Vùng đánh thủng: Khi U CE quá lớn đến một giá trị no đó lm đánh thủng tiếp xúc Colectơ. Khi đó dòng I C tăng vọt. 31
  27. Mạch Colectơ chung CC 32
  28. Giới hạn vùng lm việc của BJT 34
  29. •UCE bh : Điện áp bo ho Colectơ Emitơ th−ờng ≅ UCE bh 0,3V ⇒ phải chọn U CE > U CE bh •IC max : Dòng điện Colectơ cực đại. ⇒ phải chọn I C < I Cmax •ICE0 : Dòng d− của Colectơ ứng với I B = 0 dòng ny giới hạn vùng cắt dòng. •UCE max : Điện áp cực đại trên Colectơ Emitơ để tiếp xúc Colectơ không bị đánh thủng. 0 •PCmax : tại nhiệt độ nhất định th−ờng l T = 25 C. 35
  30. ≤ ≤ •UCE bh UCE UCEmax ≤ ≤ •ICE0 IC ICmax ≤ •ICUCE PCmax 37
  31. • Ví dụ 31: Cho BJT 2N4123 có P Cmax = 0 γ 625mW ở nhiệt độ T0 = 25 C. Hệ số PCmax 0 PCmax = 5mW/ C. Hy xác định giá trị công 0 suất P Cmax tại nhiệt độ T = 125 C. 38
  32. Ph−ơng trình đ−ờng tải v điểm lm việc tĩnh 39
  33. Phân cực cho BJT • Với chế độ khuếch đại, các điện áp cung cấp cho BJT phải đảm bảo cho BJT lm việc tại vùng khuếch đại  Tiếp giáp Emitơ Bazơ: Phân cực thuận Tiếp giáp Colectơ Bazơ: Phân cực ng−ợc • Các kiểu phân cực – Phân cực bằng dòng cố định (hay phân cực Bazơ) – Phân cực bằng dòng Emitơ (hay phân cực Emitơ) – Phân cực bằng phân áp – Phân cực bằng hồi tiếp Colectơ – Kết hợp của các ph−ơng pháp phân cực trên. 40
  34. Phân cực Bazơ (hay phân cực bằng dòng cố định) 41
  35. • Xác định điểm lm việc tĩnh Q • Chế độ bo ho v cắt dòng 42
  36. Sự xê dịch điểm lm việc tĩnh Q khi nhiệt độ thay đổi Ω Ω Ví dụ : E C = +8V ; R B = 360K ;R C = 2,2K β 0 dc = h FE = 100 ở T = 25 C β 0 dc = h FE = 150 ở T = 100 C Tìm điểm lm việc tĩnh Q tại nhiệt độ T = 25 0C v T = 100 0C (BJT l loại Si) 43
  37. Nhận xét mạch phân cực Bazơ: Mạch đơn giản Có nh−ợc điểm: Điểm lm việc tĩnh Q phụ thuộc nhiều vo nhiệt độ. -ứng dụng: Chủ yếu trong chế độ chuyển mạch. 44
  38. Phân cực Emitơ 45
  39. • Xét điểm lm việc tĩnh E −U ≅ C BE I CQ RE • Chế độ bo ho v cắt dòng • Sự xê dịch điểm lm việc tĩnh Q khi nhiệt độ thay đổi 46
  40. Phân cực bằng phân áp 47
  41. • Xét điểm lm việc tĩnh E −U ≅ th BE I CQ RE • Chế độ bo ho v cắt dòng • Sự xê dịch điểm lm việc tĩnh Q khi nhiệt độ thay đổi 48
  42. Ví dụ : Cho mạch phân cực bằng phân áp các giá trị sau: Ω Ω RC = 10K , R E = 1,5K Ω Ω R1 = 39K , R 2 = 3,9K β EC = +22V, = 140, tranzito loại Si Tìm điểm lm việc tĩnh của mạch. à Q(I BQ = 6,0 A; I CQ = 0,85mA; U CEQ = 12,22V) 49
  43. • Các mạch phân cực bằng dòng Emitơ, phân áp hay hồi tiếp đều có một điểm chung l có điện trở RE tại cực Emitơ. • Chính điện trở ny tạo thnh hồi tiếp âm trong mạch nên đ cải thiện đáng kể nhiều thông số v lm mạch ổn định hơn khi nhiệt độ thay đổi E U = C RE 10 51
  44. E = C UCE bh IC bh R = R bh C IC bh = EC UCEoff = E C Roff ICEO I I = Cbh Bbh β dc 54
  45. Các tham số chính của BJT chuyển mạch 55
  46. • Ví dụ 36: Cho BJT lm việc ở chế độ xung có β các tham số = h FE = 250, E C = 10V, U V = à 10V, I Cbh = 10mA, I CEO = 10 A, U CEbh = 0,3V. Tính giá trị của R B, R C, R bh , R off 57
  47. Mô hình t−ơng đ−ơng của BJT C C DC DC B B DE DE E E 58
  48. Qui định chiều dòng điện 59
  49. Mô hình t−ơng đ−ơng tín hiệu nhỏ • hai tham số vo l dòng i 1 v điện áp vo u 1; • hai tham số ra l dòng i 2 v điện áp u 2 60
  50. Mô hình tham số Z = = + u1 f (i1 ,i2 ) z11 i1 z12 i2  = = + u2 f (i1 ,i2 ) z21 i1 z22 i2 61
  51. Tham số z u1 u = = 1 z11 z12 i1 = i2 = i2 0 i1 0 u2 u = = 2 z22 z21 i2 = i1 = i1 0 i2 0 62
  52. Mô hình tham số Y = = + i1 f (u1 ,u2 ) y11 u1 y12 u2  = = + i2 f (u1 ,u2 ) y21 u1 y22 u2 63
  53. Mô hình t−ơng đ−ơng tham số H = = + u1 f (i1 ,u2 ) h11 i1 h12 u2  = = + i2 f (i1 ,u2 ) h21 i1 h22 u2 64
  54. u = 1 u h11 = 1 h12 i1 = u2 0 u2 = i1 0 i i = 2 = 2 h22 h21 i1 = u2 = u2 0 i1 0 65
  55. • h11 thay bằng h i: gọi l điện trở vo; • h12 thay bằng h r: gọi l hệ số truyền đạt điện áp ng−ợc; • h21 thay bằng h f: gọi l hệ số truyền đạt dòng điện thuận (hệ số khuyếch đại dòng điện); • h22 thay bằng h o: gọi l dẫn nạp ra. 66
  56. Mô hình t−ơng đ−ơng tham số h dùng cho BJT • Emitơ chung (EC): h ie , h re , h fe , h oe • Bazơ chung (BC): h ib , h rb , h fb , h ob • Colectơ chung (CC): h ic , h rc , h fc , h oc α =  ac h fb β =  ac h fe 67
  57. Bảng tham số h 70
  58. Sơ đồ t−ơng đ−ơng rút gọn 71
  59. Xác định tham số h ∂u ∂u ∆U h = v = be ≅ BE ie ∂ ∂ ∆ iv ib iB = UCE Const ∂u ∂u ∆U h = v = be ≅ BE re ∂ ∂ ∆ ura uce U CE = I B Const ∂i ∂i ∆i h = ra = c ≅ C fe ∂ ∂ ∆ iv ib iB = UCE Const ∂i ∂i ∆i h = ra = c ≅ C oe ∂ ∂ ∆ ura uce uCE = I B Const 72
  60. Mô hình t−ơng đ−ơng vật lý (Mô hình tham số re) Ω Ω Ω Ω • Mạch BC: re từ vi đến 50 ; r c từ 1M đến 2M . Ω Ω Ω • Mạch EC: re từ vi đến 50 ; r c từ 40K đến 50K Ω. 73
  61. Mô hình tham số re U EB = UT − IE ISE (e )1 ∂U ∂U = C r = EB rc e ∂I I =Const (BC ) ∂ C E = I E I B Const (EC ) U ≅ T ≅ 26 mV re I E I E 74
  62. h h +1 = re = re re ;rc hoe hoe h = − re + rb hie 1( h fe ) hoe β h β = h ;α = ac = fe ac fe ac + β + 1 ac 1 h fe 75
  63. BC • Trở kháng vo: r v = r e • Trở kháng ra: r ra = r c 76
  64. EC U i r (β + )1 i r = BE = e e = b e = β + ≅ β rv ( )1 re re ib ib ib rra = r c 77
  65. CC u U i βr + i R i βr + (β + )1 i R = v = B = b e e E = b e b E rv iv ib ib ib β β ≅ β rv = re + ( +1)R E RE 79
  66. CC • u u (β + )1 u i = v i = (β + )1 i = (β + )1 v = v b e b r βr + (β + )1 R rv v e E u i ≅ v e + re RE ≅ rra = R E//r e re u R K = ra = E ≈ 1 u + uv RE re i i (β + )1 i = ra = e = b ≈ β Ki iv ib ib 80
  67. Ví dụ • Dùng mô hình t−ơng đ−ơng tham số re để tính các tham số sau của mạch khuếch đại dùng BJT: Điện trở vo r v, điện trở ra r ra , hệ số khuếch đại điện áp K u, hệ số khuếch đại dòng điện K i. +E C RC C2 R1 C1 ura u v R2 RE CE 81
  68. uv = rra = R c// r c rv iv r = R // R // βr v 1 2 e 82
  69. u − (βi )( R // r ) R // r Rc K = ra = b c c = − c c K ≅ − u β u r uv ib re re e i i i βi r i βr K = ra = ra b i = b c → ra = c i ra + + iv ib iv rc Rc ib rc Rc (R // R )i i R // R i = 1 2 v → b = 1 2 b + β + β R1 // R2 re iv R1 // R2 re β β (R // R ) (R1 // R2 )rc = 1 2 ≅ β K = K Ki i + + β i + β (rc Rc )( R1 // R2 re ) R1 // R2 re 83
  70. Sự phụ thuộc của h fe vo tần số 84
  71. Các tham số cực đại 85
  72. Transistor Structure and Bias Quiz The heaviest doping is found in the ___ region. emitter The thinnest of all three regions is called the ___. base The collector-base junction is ___ biased. reverse The base-emitter junction is ___ biased. forward The majority of the emitter carriers flow to ___. collector 86